论文部分内容阅读
压电谐振器在电子设备中有着广泛的应用。随着消费者需求的提高,其功能也需要不断拓展与优化。一种满足该需求的办法可以借鉴超越摩尔技术,即在不改变器件尺寸的前提下器件的功能还能实现优化或多样化,一种有效的做法就是将谐振器与其他结构做到片上集成。基于微机电系统技术（MEMS）的压电谐振器与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术是工艺兼容的,这非常有利于通过在MEMS谐振器上集成其他结构来实现器件性能的优化。本文在压电MEMS谐振器的片上集成技术方面进行了探索,并应用此技术将MEMS谐振器与其他结构成功集成在同一芯片上,集成后的器件展示出了更加优良的性能,这一集成技术为超越摩尔的发展提供了有力支持。一方面,本文将压电MEMS谐振器与石墨烯场效应管（FET）做到片上集成,集成后的器件不但可以保留各自功能,而且可以相互耦合,复合器件可以表现出更优的性能。压电谐振器产生的声波可以通过声电流效应驱动石墨烯场效应管产生电流,且电流大小可以被集成的栅极调制。与普通石墨烯晶体管相比,声波驱动的石墨烯场效应管可以实现更高的开关比。本文分别设计了硅基氮化铝（AlN）的声表面波谐振器（SAW）、硅基氮化铝的兰姆波谐振器（LWR）,以及硅基铌酸锂（LiNbO3）薄膜的声表面波谐振器,这三种谐振器均与石墨烯场效应管实现了片上集成,且均激发石墨烯产生了电流。在这三种器件中,压电材料既负责产生声波,又充当场效应管的介电层。其中,基于AlN的SAW驱动石墨烯FET第一次实现了集成栅极对声电流的控制;基于AlN的LWR驱动的石墨烯FET在2.9 GHz（S1模式）下产生了电流,该频率是目前能够激发出声电流的最高频率;基于LiNbO3薄膜的器件相比前两种器件,可以产生出更大的电流,最有可能被开发成为可关断的石墨烯FET。另一方面,本文将基于氮化铝的微流道和薄膜体声波谐振器做到了片上集成。微流道结构减少了声波能量的耗散,使得液体环境下传感器还能具有较大的品质因子。传感器的工作频率与品质因子乘积（f×Q）达到了1.1×1012,是所有液体环境下压电传感器能达到的最大值。该传感器还实现了多种液体溶液浓度的实时检测。